Технологія термічної обробки сталі

Технологія термічної обробки сталі регламентує зміну тем­ператури сталі в часі. Процес термічної обробки часто опису­ють графічно в координатах температура — час. З такого графі­ка можна довідатись про максимальну температуру нагрівання та про тривалість періодів нагрівання, витримки й охолоджен­ня. Технологія термообробки повинна забезпечити високу ста­більність заданих властивостей сталі, максимальну продуктив­ність праці та низьку собівартість продукції.

Основні складові технологічного процесу

Технологія термічної обробки сталі регламентує:

• максимальну температуру нагрівання заготовки tmax;

• допустиму швидкість нагрівання до температури tmax ;

• час витримки при температурі нагрівання;

• режим охолодження,

а також належне технологічне обладнання й засоби контролю.

Під час нагрівання відбуваються початкові фазові перетво­рення, продиктовані кінцевою метою термообробки. З огляду на продуктивність процесу швидкість нагрівання повинна бути максимально допустимою. ї вибирають залежно від теплопро­відності сталі, форми та розмірів заготовок, що нагріваються, їх розташування у печі тощо. Що менше в сталі легувальних елементів і простіша конфігурація заготовки, то більша допус­тима швидкість нагрівання. Швидке нагрівання зменшує утво­рення оксидів і зневуглецьовування на поверхні заготовки, а також затримує ріст зерен аустеніту. Водночас швидке нагрі­вання збільшує перепад температур у тілі заготовки, а отже, спричинює неодночасність фазових перетворень, що може приз­вести до виникнення значних залишкових напружень. Останні нерідко спричинюють жолоблення заготовок і навіть утворення в них тріщин. Для вуглецевих сталей орієнтовна швидкість на­грівання в печах становить 0,8...1 мм/хв. Нагрівання у соляних ваннах скорочує швидкість нагрівання удвічі. Швидкість на­грівання легованих сталей зменшують на 25...40 % через їх ни­зьку теплопровідність.

Час витримки при температурі нагрівання tmax потрібен, щоб вирівняти температуру в тілі заготовки та закінчити фазові пе­ретворення. Це приблизно 20 % загального часу нагрівання. Точніше час витримки можна визначити за емпіричними фор­мулами, що їх знайдемо в спеціальній літературі.

Найчастіше нагрівають і витримують заготовки в полуменевих і електричних печах різної конструкції або в соляних ваннах; рідше для цієї мети використовують установки опору з безпосереднім нагріванням електричним струмом, установки з нагріванням струмами високої частоти, з нагріванням електрон­ними або лазерними променями та інші.

Газова атмосфера полуменевих та електричних печей може призвести до оксидування за наявності О₂, СО₂ і Н₂О, віднов­лення в СО, Н₂ і СН₄, зневуглецьовування в О₂, Н₂, СО₂. У N₂ , інертних газах та вакуумі реакції не відбуваються. Щоб уник­нути оксидації й зневуглецьовування заготовок у соляних ван­нах, до розплавлених солей періодично (один-два рази за зміну) додають дезоксидувальні речовини.

Під час охолодження з аустеніту формується нова структура: рівноважна (феритно-перлітна, перлітна чи перлітно-цементитна) або нерівноважна (сорбітна, трооститна чи мартенситна).

До найпоширеніших видів термічної обробки сталі належать: відпал, нормалізація, гартування і відпуск.

Відпал

Відпал — термообробка, під час якої доевтектоїдну сталь нагрівають до температури А_С3 + 30...50 °С (рисунок 12а), евтектоїдну й заевтектоїдну сталі — до температури Ас₁ + 30...50 °С, витримують при цій температурі і повільно охолоджують (пе­реважно разом з піччю). Надмірне підвищення температури нагрівання порівняно з зазначеним вище призводить до росту зерен аустеніту й погіршення механічних властивостей сталі.

Вихідними фазами перед нагріванням здебільшого є ферит і цементит. Під час нагрівання й витримки вихідні структури — феритно-перлітна доевтектоїдної сталі й перлітна евтектоїдної сталі переходять в аустенітну, а перлітно-цементитна структу­ра заевтектоїдної сталі — в аустенітно-цементитну. Мала швид­кість охолодження (30...200 °С/год) уможливлює зворотні дифу­зійні фазові перетворення, коли аустеніт доевтектоїдної сталі знову переходить у ферит + перліт, а аустеніт евтектоїдної і заевтектоїдної сталі — в перліт. Отже, новоутворені рівноважні структури (або близькі до них) після закінчення відпалу відріз­няються від аналогічних за фазовим складом вихідних струк­тур дрібнішими зернами, оскільки останні утворились із дріб­нозернистого аустеніту під час повільного охолодження.

Рисунок 12- Частина діаграми системи Fе₂С:

t — температура нагрівання сталі: 1— під час відпалу та гартування; 2 — під час високого, 3 — під час середнього; 4 — під час низького відпуску;

5 — під час нормалізації

Відпал застосовують, щоб усунути нерівноважні структу­ри і залишкові напруження, які виникають під час таких технологічних процесів як лиття, холодна обробка тиском, зварювання. Після відпалу сталь має низьку твердість і міц­ність, але підвищену пластичність.

Розрізняють повний і неповний відпал. Повним називають відпал з повною перекристалізацією вихідних низькотемпера­турних фаз, а неповним — відпал з повною перекристалізацією одної фази й частковою перекристалізацією другої. Повний від­пал застосовують переважно для доевтектоїдних, а неповний — для заевтектоїдних сталей. Під час неповного відпалу заевтектоїдну сталь, як уже зазначено, нагрівають на 30...50 °С вище від Ас₁ так, що в її структурі після нагрівання поруч з аустені­том зберігається вторинний цементит.

Під час неповного відпалу із аустеніту можна отримати зер­нистий (а не пластинчастий) перліт. Відпал на зернистий пер­літ називають сфероїдизацією. Центрами кристалізації в дещо переохолодженому (нижче від Ас₁) аустеніті є частинки цементи­ту, що не перейшли в твердий розчин, а також ділянки аустені­ту з підвищеною концентрацією вуглецю. Якщо заевтектоїдна сталь була нагріта значно вище від Ас₁ , тобто так, що цементит здебільш перейшов у твердий розчин, а в аустеніті вирівнявся склад, то під час охолодження утвориться не зернистий, а плас­тинчастий перліт.

Сталь зі зернистим перлітом порівняно зі сталлю з пластин­частим перлітом менш тверда і міцна, але пластичніша. Сталі зі структурою зернистого перліту добре обробляються різанням. Під час гартування вони отримують структуру мартенситу з рівномірно розподіленими в ньому дрібними глобулами цемен­титу, що підвищує міцність і в'язкість загартованої сталі.

Щоб скоротити тривалість охолодження, нерідко застосову­ють ізотермічний відпал, під час якого заготовку, нагріту до температури вище від А_С3 , переохолоджують на 50... 100 °С ниж­че від Ar1 і витримують при цій температурі до повного розпаду аустеніту. Далі заготовку вже можна охолоджувати швидко, наприклад, на повітрі. Ізотермічний відпал застосовують пере­важно до легованих сталей зі стійким переохолодженим аусте­нітом. Розпадаючись, аустеніт утворює однорідну двофазову феритно-карбідну структуру при практично однаковій по всій заготовці температурі. Зазначимо, що температуру контролю­вати легше, ніж швидкість охолодження.